Article in yearbook 2023

Engineering for Intensive Cropping Production of medicinal plants in vertical farming systems - op-portunity or utopia?

Abstract:

The demand for medicinal plants is constantly increasing, partly due to global population growth. The majority of medicinal plants traded worldwide originate from wild collections, which in turn are under threat due to increased extraction. Climate change will exacerbate the pressure on wild populations and on plants grown outdoors. Despite the high initial effort, we consider the cultivation of new plants and the shift towards a more sustainable production of cultivated species, to be crucial. The spatial and seasonal independence of production using vertical farming systems could offer ideal conditions for the design of newly formed supply chains, as well as for long-term availability of raw materials with high quality. The aim of our joint research project VerticalPharm is to identify further potential.

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Long version

Einleitung

Nach Analysen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) nutzt die Mehrheit der Weltbevölkerung, insbesondere in Schwellen- und Entwicklungsländern, traditionelle Arzneimittel pflanzlichen Ursprungs [1]. Auch in den westlichen Industrienationen sind pflanzliche Medikamente von großer wirtschaftlicher Bedeutung, was sich nicht zuletzt daran zeigt, dass jedes vierte verschreibungspflichtige Medikament pflanzliche Inhaltsstoffe enthält [2]. Rein pflanzliche Arzneimittel (Phytopharmaka) machten 2016 dabei insgesamt 8 % aller verkauften Arzneimittelpackungen und 14 % aller rezeptfreien Arzneimittel im deutschen Apothekenmarkt aus [3]. Laut einer Befragung des Instituts für Demoskopie Allensbach von 2002 verwendeten 73 % der Befragten Phytopharmazeutika [4]. Auf das weltweite Handelsvolumen bezogen, stammt der mit 60 - 80 % größte Anteil der gehandelten Pflanzenrohstoffe aus dem Anbau, wobei dieser sich auf weniger als 1 % der weltweit gehandelten Arten bezieht. Die meisten Arten werden aus der freien Natur durch Wildsammlung beschafft [5; 6; 7]. Obwohl davon ausgegangen wird, dass etwa ein Fünftel aller derzeit bekannten Gefäßpflanzenarten weltweit eine medizinische Bedeutung haben (dies entspricht etwa 50 - 70 Tausend Arten) werden nur etwa 3.000 Arten international gehandelt [6; 8].

Deutschland ist der größte Händler von Arznei- und Gewürzpflanzen innerhalb der Europäischen Union [9]. Im Jahr 2015 wurden Arznei- und Gewürzpflanzen im Wert von 250 Millionen US-Dollar nach Deutschland eingeführt, der Zollcode, von dem diese Zahl abgeleitet wird (HS1211), erfasst allerdings nicht alle relevanten Pflanzen [10; 11]. Das Anbauvolumen für Arzneipflanzen in Deutschland ist darüber hinaus zumeist nicht ausreichend, um den Eigenbedarf zu decken [12]. Aufgrund der klimatischen Bedingungen ist der Anbau auch nicht für alle Arten im Feld möglich. Der Heilpflanzenanbau konzentriert sich daher auf wenige Arten, die mengenmäßig eine bedeutende Rolle im Welthandel spielen und deren Standortansprüche weitgehend bekannt und zumeist wenig spezifisch sind [6; 12].

Bezogen auf die Anbaufläche aller Arznei- und Gewürzpflanzen in Deutschland (2011: 12 240 ha) machten reine Arzneipflanzen nur etwa 15 % aus, 52 % der Fläche wurde für den Anbau von Pflanzen verwendet, die Anwendung in beiden Bereichen finden. Die übrigen 33% entfielen auf reine Gewürzpflanzen [12]. Von den Arzneipflanzen, die in Deutschland am stärksten nachgefragt wurden, stammten 2011 rund 12 % aus deutschem Anbau. 87 % dieser 10 wichtigsten Arzneipflanzen wurden 2011 importiert darunter bspw. Anis, Mariendistel, Brennnessel und Baldrian. Mit 34 % war der Deckungsgrad der einheimischen Produktion gemessen am Gesamtverbrauch bei Thymian am höchsten, gefolgt von Melisse mit 19 %. Unter den am stärksten nachgefragten Arzneipflanzen entfiel mit etwa 9 % der Anbaufläche (1155 ha) der größte Anteil auf die Kultivierung von Echter Kamille (Chamomilla recutita). Der Selbstversorgungsgrad liegt jedoch auch in diesem Fall gerade bei 16 %, was die hohe Abhängigkeit von Importen für die Pflanzengruppe der Arznei- -und Gewürzpflanzen verdeutlicht. [12; 13, 14]

Die zunehmende Nachfrage nach Phytopharmaka und die aufgezeigte hohe Abhängigkeit von Importen, sowie die zu erwartenden weiteren Einschränkungen für die Wildsammlung zum Schutz der natürlichen Bestände, zeigen den grundsätzlich vorhandenen Bedarf für einen steigenden Anteil regionaler Produktion. Durch die hohen qualitativen Anforderungen an Arznei- und Gewürzpflanzen und aufgrund der Tatsache, dass eine Vielzahl der Arten unter den hiesigen klimatischen Bedingungen nicht oder nur eingeschränkt kultiviert werden kann, soll im Rahmen eines aktuell laufenden Projekts das Potential von Vertical Farming für den Anbau von Arznei- und Gewürzpflanzen analysiert werden. Dabei wird sowohl die Marktsituation unter Berücksichtigung des Mengenbedarfs wie der Verfügbarkeiten, als auch die qualitativen Anforderungen, etwa eine hohe Wirkstoffkonzentration und Produktreinheit Berücksichtigung finden.

Anwendungsgebiete arzneipflanzlicher Rohstoffe

Unabhängig von der Art der Rohstoffgewinnung (Anbau, Wildsammlung) erfolgt nach Ernte der Arzneipflanze die Aufbereitung und Trocknung. Die Pflanze als Rohstoff kann dabei als Ausgangsstoff für verschiedene Anwendungszwecke eingesetzt werden. Die getrocknete Pflanze bzw. deren Teile werden als "Droge" bezeichnet unabhängig davon, ob sie in Form von Gewürzpulvern oder Tees ohne pharmakologische Wirkung vertrieben oder zu Medikamenten mit pharmakologischer Wirkung (= Arzneimittel) verarbeitet werden (Bild 1).

Arzneimittel, deren Wirkstoffe ausschließlich pflanzlichen Ursprungs sind, werden als Phytopharmaka bezeichnet. Sie werden in der Regel aus Extrakten der Pflanzendroge hergestellt und sind komplex, d.h. sie setzten sich aus einer Vielzahl von Stoffen zusammen, von denen mehrere oder die Kombination mehrerer für die pharmakologische Wirkung verantwortlich sein können und die nicht immer in gleichbleibender Zusammensetzung vorliegen. Nicht verwendete Reststoffe aus Extrakten, die bis zu 95 % einnehmen, werden beispielsweise als Futtermittel (Stroh von Kamille) verwendet, während die getrockneten Blüten als Arzneidroge Verwendung finden (Matricariae flos) [12; 14]. Bis zu 70 % aller Arzneistoffe sind von Naturstoffen abgeleitet, dennoch wird die Mehrzahl der heute verkauften Arzneistoffe voll- oder teilsynthetisch hergestellt (Synthetika) [15]. Die so erzeugten Medikamente sind chemisch definiert. Sie setzen sich aus ein oder mehreren pharmakologisch aktiven Substanzen in definierter Konzentration zusammen.

Die Herstellung von Phytopharmaka, siehe Bild 2, unterliegen dem Arzneimittelgesetz (AMG), welches die gesetzliche Grundlage für die Zulassung bildet und die inhaltlichen Anforderungen an die Zulassungsunterlagen definiert [16]. Damit müssen Phytopharmaka denselben Anforderungen an Qualität, Wirksamkeit und gesundheitliche Unbedenklichkeit wie andere Arzneimittel entsprechen. Der Nachweis ist beim Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) zu erbringen. Die Wirksamkeit kann mittels klinischer Studien (rationale Phytopharmaka) oder unter Bezugnahme auf veröffentlichte Fachliteratur belegt werden. Typische Beispiele rationaler Phytopharmaka sind bspw. Johanniskraut zur Behandlung von depressiven Verstimmungen, Pestwurz gegen Heuschnupfen, Ginkgo zur Verbesserung der mentalen Leistungsfähigkeit, Traubensilberkerze zur Behandlung von Wechseljahresbeschwerden, Weißdorn zur Behandlung von Herzbeschwerden oder Baldrian und Hopfen zur Behandlung von Schlafstörungen [15].

 

Bild 1: Differenzierung Pharmazeutischer Produkte anhand des Produktionswegs; grün: im Rahmen des Forschungsvorhabens zu untersuchende Produktionsbereiche; blau: Medikamente, die unter Verwendung pflanzlicher Stoffe oder Zellen produziert werden können, jedoch nicht zu den Phytopharmaka zählen.

Figure 1: Differentiation of pharmaceutical products based on the production pathway; green: production areas to be investigated as part of the research project; blue: drugs that can be produced using plant substances or cells but are not classified as phytopharmaceuticals.

Bild 2: Wertschöpfungskette pharmazeutisch genutzter Pflanzen und wichtiger geltender Rechtsverordnungen; 1: Arzneimittelgesetz (AMG), Heilmittelwerbegesetz (HWG); 2: Nahrungsergänzungsmittelverordnung (NemV), Lebensmittel-, Bedarfsgegenstände- und Futtermittelgesetzbuch (LFGB), Lebensmittel-Informationsverordnung (EU) Nr. 1169/2011 (LMIV).

Figure 2: Value chain of pharmaceutically used plants and important applicable legal regulations in Germany; 1: Arzneimittelgesetz (AMG), Heilmittelwerbegesetz (HWG); 2: Nahrungsergänzungsmittelverordnung (NemV), Lebensmittel-, Bedarfsgegenstände- und Futtermittelgesetzbuch (LFGB), Lebensmittel-Informationsverordnung (EU) Nr. 1169/2011 (LMIV).

 

Als anerkannte bibliographische Quellen zur Wirksamkeit pflanzlicher Drogen dienen bspw. die Arzneipflanzenmonografien des Ausschusses für pflanzliche Arzneimittel (HMPC), die auf europäischer Ebene publiziert werden, sowie in der Vergangenheit die Monografien, welche von der am Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte ansässigen Sachverständigenkommission (Kommission E) bis 1994 erarbeitet wurden. Phytopharmaka können in einem vereinfachten Verfahren registriert werden („traditionell use": § 39a-d AMG), wenn ihre pharmazeutische Nutzung seit 30 Jahren belegt ist (davon min. 15 Jahre in Europa) oder zugelassen werden (“well-established use“: §22 AMG), wenn eine min. zehnjährige medizinische Anwendung in einem Land der EU belegt werden kann sowie wissenschaftliche Nachweise zur anerkannten Wirksamkeit und Sicherheit vorliegen. Das AMG findet nur begrenzt Anwendung bei homöopathischen und anthroposophischen Präparaten, für diese gelten Ausnahmeregelungen [16; 17].

Es gibt keine gesetzliche Regelung, die eine bestimmte Ernte- oder Anbauweise für Arzneipflanzen vorsieht. Die Bezugsquellen sind allerdings durch die Hersteller der Arzneimittel im Zulassungsdossier vermerkt. Aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzung sind Phytopharmaka anfälliger für chargenspezifische Qualitätsschwankungen als chemisch definierte Arzneimittel. Standort, Klima, Pflanzensorte (bzw. Subtyp), Erntezeitpunkt, Trocknung und Verarbeitung haben Einfluss auf Konzentration und Zusammensetzung der Wirkstoffe. Dieser natürlichen anbaubedingten Variabilität der Qualität der Ausgangspflanzen wird entgegengewirkt, indem die aus ihnen hergestellten Pflanzenextrakte auf bestimmte Referenzstoffe eingestellt werden [14; 15; 18]. Für die Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität des Phytopharmakons ist daher eine umfangreiche Inhaltsstoffanalytik unerlässlich. Diese ist zudem notwendig, um eine übermäßige Kontamination mit Pyrrolizidinalkaloide zu verhindern. Das HPMC hat hierzu eine Warnung veröffentlicht und den Grenzwert für die maximal zulässige Exposition pro Tag durch ein Arzneimittel bei einem Erwachsenen auf 1µg festgelegt [19; 20].

Im Gegensatz zu Phytopharmaka sind Nahrungsergänzungsmittel als Lebensmittel keiner spezifischen Prüfung oder Genehmigung durch eine Behörde unterworfen, sofern sie nicht als Novell Food klassifiziert werden. Sie müssen allerdings vor Inverkehrbringen beim Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) angezeigt werden [21].

Novell Foods, d.h. Lebensmittel, die vor dem 15. Mai 1997 nicht in nennenswertem Umfang in der Europäischen Union für den menschlichen Verzehr verwendet wurden wie bspw. Stevia, müssen in der EU ein Zulassungsverfahren durchlaufen [22].  Zu den Pflanzen, welche in Nah­rungs­ergänzungsmitteln häufig Verwendung finden, gehören u.a. Lavendel, Baldrian, Johan­nis­kraut, Pfefferminze, Weißdorn, Rosenwurz, Mariendistel, Klette, Weißdorn, Salbei, Mönchspfeffer, Traubensilberkerze, Ginkgo, Ginseng, Zitronenmelisse, Passionsblume oder Hopfen [23]. Einige dieser Pflanzen finden auch Anwendung als rationale Phytopharmaka. Bei einer Verwendung als Zusatz in Nahrungsergänzungsmitteln dürfen sie nur in pharmakologisch nicht wirksamer Konzentration zugesetzt werden [21].

Anbauverfahren von Arzneipflanzen - eine Herausforderung

Die Vielzahl der Einflussfaktoren auf die Qualität von Arzneipflanzen führt zu schwankenden Zusammensetzungen der Inhaltstoffe und ist eine Herausforderung für die Produktion standardisierter Phytopharmaka. Veränderte Klimabedingungen und zunehmende Unwetterereignisse können die Versorgungssicherheit in Zukunft weiter beeinträchtigen. Bereits unter normalen Anbaubedingungen gibt es bei der Produktion eine vorhandene Schwankungsbreite hinsichtlich des Inhaltsstoffprofils und -gehalts, da sich kritische Faktoren (Bodenbeschaffenheit, Sonneneinstrahlung, Niederschlag, Pflanzenentwicklung etc.) bereits auf einem Feld unterscheiden können und unterschiedliche Anbauregionen erhebliche Unterschiede aufweisen. Der kontrollierte und rentable Anbau vieler Arzneipflanzen gilt als nur in sehr geringem Umfang möglich. Die benötigten Mengen sind verglichen mit anderen Agrarprodukten gering und durch den Klimawandel kann es in einigen Landstrichen zu einem gesteigerten Ausfallrisiko kommen [6; 12; 14; 24]. Die Anbauflächen sind häufig klein, der Einsatz automatisierter Systeme und Maschinen ist nicht bei jeder Kultur möglich. Auch fehlende Daten zur Kulturführung vieler Pflanzen wurde in der Literatur mehrfach beschrieben [18; 25]. Heilpflanzen, die als Ressource für Firmen im Phytopharmaka und Naturkosmetiksektor dienen, stammen daher aus Wildsammlungen [25: Anhang II]. Auch hier lässt sich aufgrund der unterschiedlichen Standorteigenschaften eine hohe Variabilität der Qualität beobachten. Wildsammlungen sind zudem in unterschiedlichem Maße reguliert und es ist mit weiteren Einschränkungen in den kommenden Jahren zu rechnen. Der Verlust traditionellen Wissens über die Arten, ihre Lebensräume und Verwendung trägt sowohl zu ihrer Gefährdung als auch zu einem Qualitätsverlust des gesammelten Pflanzenmaterials bei [26].

Die bestehenden Probleme im Anbau und der Sammlung von Arzneipflanzen werden durch den Klimawandel, die Zerstörung der natürlichen Habitate und eine bereits jetzt erkennbare Übernutzung bestehender Ressourcen perspektivisch noch verschärft [18; 25]. Der Klimawandel hat dabei nicht nur Einfluss auf die Verbreitung und den Ertrag der Arzneipflanzen, er kann auch zu einer Verschiebung oder Veränderung der Konzentration -erwünschter wie unerwünschter- sekundärer Pflanzenstoffe führen und damit zu erheblichen Qualitätsveränderungen und -verlusten [18; 25; 27; 28].

Es ist zu erwarten, dass dies auch für Pflanzen, die Vorläufersubstanzen für partialsynthetische Arzneistoffe oder Hilfsstoffe liefern, zutrifft. Bisher liegen für eine abschließende Bewertung hierzu aber zu wenige Daten vor. Die Verlagerung des Produktionswegs von Arzneistoffen oder die Umstellung der Produktion hin zu synthetischen Arzneistoffen ist nicht in allen Fällen kosteneffizient möglich (Synthetisierbarkeit, Chiralität) und zudem von der abnehmenden Seite auch nicht gewünscht. Es zeigt sich, dass die gesamte Pharmaindustrie von den gegenwärtigen Problemen in globalen Lieferketten bspw. durch Probleme in der Beschaffung des Rohmaterials betroffen ist. Dies hat zur Folge, dass der Auf- und Ausbau der regionalen Produktion von Rohstoffen zunehmendes Interesse erhält. Vor dem Hintergrund, dass die genauen Ursachen der Lieferengpässe nach wie vor Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen sind [29; 30], ist eine Berücksichtigung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen und eine Analyse der vorhandenen Potentiale hinsichtlich der gezielten und standardisierten Produktion von pflanzlichen Inhaltstoffen eine wichtige Voraussetzung.

Nach den Kriterien der Roten Liste der Weltnaturschutzunion (IUCN) sind etwa 20 % der untersuchten Arten in der freien Natur vom Aussterben bedroht, verlässliche Daten liegen allerdings nur für 7 % der Arznei- und Gewürzpflanzen vor [11]. Man schätzt, dass 15.000 Heilpflanzenarten weltweit aufgrund von Lebensraumzerstörung und Übernutzung gefährdet sind [31; 32; 33; 34]. Zum Schutz der bestehenden biogenen Ressourcen wurden daher beispielsweise das Washingtoner Artenschutzabkommen (CITES), welches u.a. den Handel mit Wildpflanzen reguliert, und das UN-NAGOYA-Protokoll, welches zu einem gerechten Vorteilsausgleich (Access and Benefit-Sharing = ABS) und der Einhaltung der Aichi-Biodiversitätsziele beitragen soll, verabschiedet [35; 36]. Internationale Zielvereinbarungen wie diese sind ein Schritt auf dem Weg zu einem nachhaltigeren Umgang mit unseren biogenen Ressourcen, die akuten Probleme bei gleichzeitig steigender Nachfrage können sie allerdings nicht adressieren.

Der geschützte Anbau - eine Chance oder: von der Wildsammlung zur Vertical Farm

Zur Sicherung planbarer Erträge sowie zur Qualitätssicherung und -steigerung wurden die verschiedensten Pflanzen im Laufe der Menschheitsgeschichte gezielt kultiviert und züchterisch verändert. Viele der uns bekannten und im deutschen Anbau vertretenen Arzneipflanzenarten fanden sich bereits in den Klostergärten des Mittelalters [37], hierzu zählen beispielsweise Thymian, Mariendistel oder Mönchspfeffer. Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) geht für krautige Pflanzen von einer Vorlaufzeit von mindestens fünf Jahren für die Etablierung einer Kultur aus [12; 14; 37].

Entscheidend für den Erfolg dieser Bestrebungen ist das Wissen über Unterschiede der Wildpopulationen und zum Einfluss der Standortbedingungen auf das Inhaltsstoffprofil. Für Arnika montana konnte durch die Analyse von Wirkstoffprofilen und Standorteigenschaften die Bodenbeschaffenheit als entscheidende Einflussgröße für die Qualität des gesammelten Pflanzenmaterials identifiziert werden [27]. Die Nutzung von Genotypisierungsmethoden erlaubt zudem schnelle Fortschritte bei der züchterischen Weiterentwicklung [48]. Gesicherte Daten zu den Faktoren, welche das Wirkstoffprofil an Wildstandorten beeinflussen, liegen nur zu wenigen Pflanzen vor [18]. Dieser Mangel an Wissen erschwert die Inkulturnahme zusätzlich und verzögert die Produktion qualitativ hochwertiger Ware.

 

In den letzten Jahren gab es dennoch vermehrte Bestrebungen neue Pflanzen in Kultur zu nehmen bzw. ihre Kultur an neue geographische und klimatische Gegebenheiten anzupassen. Die Kapland-Pelargonie (Pelargonium sidoides) beispielsweise wurde in Deutschland erfolgreich als Gewächshauskultur etabliert, ihr Wirkstoffprofil und -gehalt ist mit Wildsammlungen vergleichbar [38]. Auch für Rosenwurz (Rhodiola rosea) gibt es in Deutschland mittlerweile Anbauflächen im Freiland, siehe Bild 3, dennoch stammen die für die Herstellung von Extrakten verwendeten Wurzeln derzeit noch meist aus Wildsammlung in Russland und China. Die gestiegene Nachfrage begünstigt allerdings das Auftauchen anderer Rosenwurz-Arten als Verfälschung im Handel. Daher wird die Ausweitung des kontrollierten Anbaus angestrebt [39]. An einer Adaption für Vertical Farming Systeme wird zudem an der HSWT geforscht [40].

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Bild 3: links: Anbau von Rhodiola rosea im Freiland; rechts: Versuchsanbau von Rhodiola rosea an der HSWT.

Figure 3: left: Cultivation of Rhodiola rosea in the field; right: Experimental cultivation of Rhodiola rosea at the HSWT.

Handlungsbedarf besteht über die Inkulturnahme neuer Pflanzen hinaus auch bei der züchterischen Optimierung bereits etablierter Kulturen, der Entwicklung neuer Verfahren bei Ernte, Trocknung und Entwesung sowie der Bekämpfung von Schaderregern. Gerade die Trocknung der Pflanzen stellt aufgrund der Energieintensität einen erheblichen Kostentreiber dar [12; 14].

Zur langfristigen Sicherung von Arzneipflanzen in gleichbleibender Qualität, erscheint darüber hinaus eine Entkopplung der Produktion von äußeren klimatischen Bedingungen sinnvoll. Die Produktion pflanzlicher Rohstoffe für die Pharmaindustrie in Vertical Farming Systemen (VFS) könnte ein Lösungsansatz sein, um den Herausforderungen in den globalen Lieferketten zu begegnen. VFS meint dabei die Kultur von Pflanzen in einem geschlossenen Raum unter Ausschluss der Globalstrahlung und unabhängig von der Witterung in einem mehrlagigen Kultursystem mit geschlossener, hydroponischer Bewässerung und LED-Belichtung. Eine detailliertere Beschreibung kann dem Jahrbuch Agrartechnik 2020 entnommen werden [41].

Die Möglichkeit Indoor-Vertikal-Farming-Systeme weitestgehend geschlossen zu halten, erlaubt es beim Anbau Wasser zu sparen, da das von den Pflanzen durch Transpiration an die Umgebung abgegebene Wasser vollständig zurückgewonnen werden kann und somit im Bewässerungskreislauf verbleibt [43]. Auch ein Auswaschen von Dünger in den Boden kann vollständig unterbunden werden, der Einsatz kann deutlich gezielter und in spezifisch auf den Bedarf angepasster Menge erfolgen. Auf einen Einsatz von chemisch synthetischen Pflanzenschutzmitteln wird in Vertical Farming Systemen vollständig verzichtet [44].

VFS erlaubt durch die hohe Kontrolle über alle Wachstumsbedingungen ein ganzjährig gleichbleibendes und planbares Pflanzenwachstum. Darüber hinaus gilt als großer Vorteil von VFS die Möglichkeit durch die Auswahl des Lichtspektrums, der Photoperiode oder durch den gezielten Einsatz von Stressoren wie Trockenstress das Profil der pflanzlichen Sekundärmetabolite gezielt zu beeinflussen [28; 42]. Der Einfluss der Stressoren unterscheiden sich je nach Pflanzenart, sodass hierzu noch intensive Forschungsarbeit geleistet werden muss [28].

Die Errichtung von VFS kann auf bereits versiegelten Flächen erfolgen, die Systeme sind in ihrer Größe variabel. Darüber hinaus reduziert die Kultivierung der Nutzpflanzen auf mehreren Ebenen die benötigte Grundfläche weiter und könnte so indirekt dem Schutz natürlicher Habitate dienen [44]. Durch den Einsatz von erdelosen Systemen entfällt zudem die Notwendigkeit der aufwändigen Aufreinigung bei der Ernte von Rhizomen und Wurzelstöcken, sowie die damit verbundenen Verluste (Feinwurzeln) bei der Ernte von Wurzeldrogen. Auch die Physiologie der Wurzeln kann im Hydroponischen System leichter verändert werden. Die verminderte mechanische Belastung führt zur Ausbildung längerer Wurzeln von geringerer Dichte. Die Einlagerung von Suberin und Lignin ist geringer und die Wurzeln zeigen eine höhere metabolische Aktivität [45; 46].

Der hochgradig geschützte Anbau in VFS erlaubt zudem den Fokus bei der Pflanzenzüchtung zu verschieben hin zu kompakteren Wuchsformen mit optimiertem Inhaltsstoffprofil. Frosttoleranz oder Pathogenresistenz sind in VFS keine ausschlaggebenden Punkte bei der Sortenwahl. Ebenso kann auf die Beikraut Regulierung verzichtet werden, die Gefahr von Kontaminationen, bspw. durch Pflanzen, welche reich an Pyrrolizidinalkaloide sind, besteht in VFS nicht. Die Unabhängigkeit von Wind, Wetter und Boden ermöglicht es VFS überall zu errichten, sodass Transportwege eingespart werden können.

Eine umfassende Prozessüberwachung in VFS bieten in hohem Maß Potential für Automatisierung und stellt einen Vorteil bei der zunehmend gesetzlich geforderten Überwachung der Produktionsabläufe und Handelsströme dar. Auch könnten so die Produktionskosten durch eine Reduktion des manuellen Arbeitsaufwandes gesenkt werden [28; 43].

Den limitierenden Faktor in der Praxis stellt dabei der Energiepreis dar. VFS sind aufgrund des hohen Strombedarfs, welcher vor allem für die künstliche Belichtung, Kühlung und Entfeuchtung aufgewendet werden muss, auf eine konstante und kostengünstige Stromquelle angewiesen, um wirtschaftlich tragfähig zu sein. VFS müssen daher im Kontext ihrer Umgebung und Auslegung betrachtet werden. Durch die Nutzung regionaler, erneuerbarer Energien und die Kopplung von VFS mit Sekundärkreisläufen, die beispielsweise die Abwärme oder verbleibende Reststoffströme nutzen, kann die Effizienz des Gesamtsystems gesteigert werden. CUBES ist ein durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertes Projekt, welches sich dieser Thematik annimmt und die Kopplung der Produktionssysteme Pflanze, Insekten und Fische betrachtet [47]. Auch die Abwärme, welche durch den Betrieb der VFS entsteht, könnte im Anbau von Arzneipflanzen gezielt für die Trocknung derselben eingesetzt werden. Die Trocknung ist bei der Weiterverarbeitung zu Medikamenten oder Tees unentbehrlich und trägt einen wesentlichen Teil zu den Produktionskosten bei.

Die Produktion von Arzneipflanzen und pflanzlichen Rohstoffen in geschlossenen Kultursystemen stellt derzeit die Ausnahme dar und ist im kommerziellen Stil bisher nur für Medizinalhanf (Cannabis sativa L) realisiert. [50 - 52 ] Begünstigt wird dies, neben den hohen Gewinnmargen, insbesondere durch die gesetzlichen Anforderungen an die Dokumentation der Produktion und die Kontrolle der Inhaltsstoffe. [49] Die Forschung zu den, das Inhaltsstoffprofil beeinflussenden, Faktoren hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, u. a. konnte der Gehalt an Cannabinoiden durch kontrollierten Trockenstress, den Einsatz von Rhizobakterien oder die Lichtqualität gesteigert werden.  [53 - 56] Die Produktion hochwertiger pflanzlicher Rohstoffe in VFS könnte einen wichtigen Beitrag zur Versorgungs- und Produktsicherheit liefern, nicht zuletzt aufgrund der räumlichen und saisonalen Unabhängigkeit. Trotz rückstandsfreier Produktion bei standardisierter Qualität besteht gerade für das Segment der Pharmarohstoffe noch erheblicher Forschungsbedarf im Hinblick auf die Etablierung der Kulturverfahren, zur gezielten Beeinflussung der sekundären Inhaltstoffe und zum Vergleich der Produktqualitäten aus verschiedenen Anbauverfahren.

Aufbau einer Weihenstephaner Forschungsallianz VerticalPharm

Der Anbau in VFS muss mittelfristig auf sein ökonomisches Potential getestet werden. Hier setzt das geplante Vorhaben zum Aufbau einer Weihenstephaner Forschungsallianz VerticalPharm an. Durch die erstmalige Kooperation der drei Fachbereiche Lebensmittelchemie und Molekulare Sensorik (TUM), Applied Science for Smart Indoor Farming (HSWT) und Arznei- und Gewürzpflanzenbau (LfL) im AgroMissionHub bestehen optimale Voraussetzungen, um das Forschungsfeld der Produktion von Arzneipflanzen, sowie von Pflanzen für die Verarbeitung zu Nahrungsergänzungsmitteln und Kosmetika in VFS aufzubauen und systematisch von der Forschungsfrage bis zur potenziellen Anwendung in der Praxis auf das Niveau der Spitzenforschung zu heben.

Ziel des Vorhabens ist es, innovative und zukunftsfähige Lösungen zur Produktion von pflanzlichen Arzneimittelrohstoffen mit hoher Verfügbarkeit und Sicherheit zu identifizieren. Die Produktion mittels VFS kann zugleich dem Schutz von Wildbeständen bei ganzjährig gleichbleibender Qualität dienen.

Im Rahmen der Projektförderung wurden zunächst zwei Workshops durchgeführt, die hierbei erarbeiteten Ergebnisse dienen als Basis für den aktuellen Austausch mit Experten aus Wissenschaft und Industrie. Die Teilnehmer der Workshops waren dazu aufgerufen, Potentiale, aber auch die Herausforderungen, die sie im Kontext der Nutzung von VFS sehen, zu benennen und nach ihren Kriterien einzuordnen (s. Bild 4). Die Perspektive der Teilnehmer wurde dabei deutlich durch die kommenden Herausforderungen des Klimawandels, aber auch die Vermarktbarkeit des Konzepts geprägt. Als wesentliche Vorteile wurden die wetterunabhängige, ganzjährige und in Menge und Qualität planbare Produktion von Pflanzen genannt.  Als Vermarktungskriterium wurden die Frische aufgrund kurzer Transportwege und geringer Zwischenverarbeitung hervorgehoben. Die Teilnehmer sahen Potentiale sowohl für die regionale Direktvermarktung bspw. von frischen Kräutern als auch für die Nutzung von VFS an Extremstandorten, wie die arabische Halbinsel (niedrige Energiekosten, Vorteile durch geschlossenen Wasserkreislauf), aber auch nördliche Regionen, in denen niedrige Durchschnittstemperaturen und die im Jahresverlauf schwankende Sonneneinstrahlung den Freilandanbau vieler Kulturen unmöglich machen.

Faktoren wie Wirtschaftlichkeit und Umweltbilanzierung wurden von den Teilnehmern sehr unterschiedlich bewertet. Positiv hervorgehoben wurden die Rückverfolgbarkeit der Produktion und eine gesicherte Supply Chain, da das Ausfallrisiko, sowohl die Menge als auch die Qualität betreffend, verglichen mit Wildsammlungen oder der Freilandproduktion als gering erachtet wurde, ebenso wie das Risiko von Kontaminationen oder Verunreinigungen. Gleichzeitig wurden das noch geringe Know-how möglicher Erzeuger und der bislang nicht vorhandene Markt als Hemmschuhe identifiziert. Die Produktion von Heilpflanzen in VFS setzt eine entsprechende Anschubfinanzierung voraus. Die Wachstumschancen des Marktes hängen neben den Kosten dabei stark von der Wahrnehmung des Kunden ab. So überwiegt bei einigen Teilnehmern die Argumentation der Schonung von Naturflächen und Wildpopulationen und bei anderen die Argumentation des "Natürlichkeitsprinzips".

Bild 4: Perspektiven und Herausforderungen des Vertical Farming laut Erhebung.

Figure 4: Perspectives and challenges of Vertical Farming according to the survey.

 

Einig waren sich die Teilnehmer der Workshops, dass es Potenzial bei Auswahl und Züchtung spezifischer Sorten und Anbauprotokollen gibt. Die Möglichkeit der Automatisierung und auch der Einsatz von GMO in vollständig geschlossenen Kultursystemen wurden ebenfalls diskutiert. Perspektivisch wird sich zeigen, inwieweit die Kosteneinsparungen für Personal die Maschinen- und Energiekosten ausgleichen können bzw. ob Produktions- und Qualitätssteigerungen den Anbau in VFS mittelfristig rentabel gestalten können.

 

Bei der Nennung spezifischer Pflanzen wurde ein breites Spektrum abgedeckt. Die Möglichkeit der Nutzung frischer Pflanzenextrakte unter Verzicht auf den Prozessschritt der Trocknung und die Produktion von Pflanzen, die derzeit vornehmlich aus Wildsammlungen stammen, bzw. von Pflanzen mit hochpreisigen Inhaltsstoffen und Aromapflanzen dominierten die Aufzählung. Aufgrund rechtlicher Regelungen stellt die Trocknung der Pflanzen für medizinische Zwecke die Norm dar. Der Frischeaspekt ist daher nach aktueller Lage für diesen Wirtschaftszweig zweitrangig. Als medizinische Beispielpflanze für welche die Frischverarbeitung Vorteile bringen würde, wurde der einjährige Beifuß (Artemisia annua) genannt. Das aus ihm gewonnene Artimisin wird zur Behandlung von Malaria eingesetzt.

Durch die Integration von Verbänden der Phytopharmazeutischen und -Chemischen Industrie und deren Mitglieder sollen gezielt relevante Forschungsfragen unter Berücksichtigung der Herausforderungen für die spätere Umsetzung ermittelt und adressiert werden. Das Forschungsprojekt stellt die Wirkungen der Anbau- und Kulturverfahren in VFS auf die sekundären Inhaltstoffe in den Vordergrund.

Acknowledgements

Das Forschungsvorhaben "VerticalPharm" wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (StMWK) finanziell unterstützt Als Verbundprojekt im AgroMissionHub kooperieren die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, das Bay. Landesamt für Landwirtschaft (LfL) und die Technischen Universität München (TUM) bei der Durchführung; letztere fungiert als Projektträger. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung bei Ivonne Jüttner und Prof. Grüner-Lempart.

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Autorendaten

Prof. Dr. Heike Mempel ist Professorin für Technik im Gartenbau und Qualitätsmanagement und leitet das Applied Science Centre for Smart Indoor Farming an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf.

Dr. Timo D. Stark ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Lebensmittelchemie und Molekulare Sensorik der TU München.

Dr. Heidi Heuberger ist Projektleiterin der Arbeitsgruppe für Kulturpflanzenvielfalt - Arznei- und Gewürzpflanzen und Pflanzengenetische Ressourcen am bayrischen Landesamt für Landwirtschaft (LfL).

M.Sc. Sabine Wittmann ist Doktorandin an der Hochschule Weihenstephan Triesdorf im Team von Prof. Mempel.

M.Sc. Viktoria Schyma ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Projekt VerticalPharm in der Arbeitsgruppe von Prof. Mempel.

Keywords:
Vertical Farming, Arznei- und Gewürzpflanzen, Phytopharmaka
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Recommended form of citation:
Schyma, Viktoria; Wittmann, Sabine; Mempel, Heike; Stark, Timo; Heuberger, Heidi: Production of medicinal plants in vertical farming systems - op-portunity or utopia?. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2023. Braunschweig: TU Braunschweig / Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2024. – pp. 1-19
Review date 27.02.2024

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